Совершенствование технологического процесса и технических средств калибрования клубней картофеля

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцента а Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производство картофеля является одной из важнейших составляющих продовольственной безопасности Российской федерации. Самый высокий уровень отечественного производства, гарантирующего продовольственную безопасность России, отводится зерну и картофелю. Доля собственного производства картофеля должна составлять не менее 95% общей потребности.

Повышенное внимание к производству одной из важнейших продовольственных культура - картофелю, который возделывается более чем в 140 странах, отмечается в мировом производстве. В связи с постоянно возрастающей значимостью этой культуры для человечества Генеральная ассамблея ООН объявила 2008 год Годом картофеля.

Краткий анализ уровня производства картофеля в Российской Федерации и его сопоставление со странами ЕС показывает, что в России валовый сбор составляет 37 млн.т. при возделывании его на площади около 3 млн.га, т.е. при средней урожайности 12,3 т/га.

В то же время в странах ЕС урожайность в 2,7 раза выше, чем в России и составляет 33,5 т/га, а валовый сбор с 2 млн.га составляет 67 млн.т.

Такая значительная разница в результатах производства картофеля между Россией и странами ЕС объясняется несколькими причинами.

Во-первых, в России 90% картофеля производится в личных подсобных (ЛПХ) и мелких крестьянско-фермерскиха хозяйствах (КФХ) на участках площадью, в среднем, не превышающей 2 га. На таких участках применяются простейшие технологии с низким уровнем механизации.

Низкая урожайность мелкотоварного производства объясняется тем, что в этих условиях нет возможности применять высококачественный посадочный материал не только по биологическому признаку, но и из-за низкого качества предпосадочной калибровки клубней по размерам, что оказывает существенное влияние на качество работы посадочных машин.

При жестком диапазоне регулировок вычерпывающих аппаратов картофелепосадочных машин в зависимости от размеров высаживаемых клубней, требования к качеству предпосадочной калибровке клубней имеют очень большое значение, т.к. от выровненности посадочного материала зависит качество работы сажалок и, как следствие - урожайность.

Точность калибрования клубней необходима не только для семенного картофеля, но и для продовольственного.

Отечественные картофелесортировальные машины по качеству разделения клубней на размерные фракции не выполняют требований новых стандартов России, приведенных в соответствие с аналогичными стандартами ЕС, ни по семенному, ни по продовольственному картофелю.

В связи с вышеизложенным проблема повышения точности разделения клубней на размерные фракции является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с планом по выполнению научного направления 1.2.9. Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского региона на 20 лет до 2010 года /№ гос.регистрации 840005200/, комплексной темой НИР Саратовского ГАУ имени Н.И.Вавилова раздел 4.2 Совершенствование технологических процессов и технических средств сепарации и послеуборочной обработки корнеклубнеплодов и Мичуринского ГАУ Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК /№ гос.регистрации 01201151795/ тема: Разработка сельскохозяйственных машин, орудий и мобильной техники.

Цель работы - повышение эффективности технологического процесса сортирования клубней картофеля на размерные фракции путем создания новых калибрующих поверхностей.

Объект исследований - технологический процесс картофелесортировальных машин.

Предмет исследований - закономерности функционирования рабочих органов, параметры технологических схем и калибрующих поверхностей картофелесортировальных машин.

Методы исследований - включали теоретический анализ процесса калибрования клубней картофеля с использованием законов классической механики и математического анализа; оптимизацию параметров и режимов работы картофелесортировок методами регрессионного анализа с оценкой достоверности результатов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик, приборов и оборудования, с обработкой результатов на П.К.

Научная новизна работы:

- предложена новая математически обоснованная форма калибрующих отверстий для формирования рабочего поля решет картофелесортировальных машин;

- теоретическая модель процесса взаимодействия клубней картофеля различных форм с новыми решетными поверхностями;

- математическая модель технологического процесса калибрования клубней картофеля на машинах грохотного типа с новыми решетными поверхностями;

- оптимальные параметры и режимы работы грохотных картофелесортировальных машин с новыми рабочими органами.

Практическая значимость. Совокупность выполненных исследований и теоретических обобщений позволили разработать технические средства в составе картофелесортировальных машин, повышающих точность разделения клубней на размерные фракции в сочетании с высоким коэффициентом пропускной способности, обеспечивающим высокую производительность.

Разработанные в диссертации технические решения защищены 3 патентами Российской Федерации (№40836, №2319332, №103268) на способ калибрования и рабочие органы картофелесортировальных машин, которые могут быть использованы для разработки новых и модернизации существующих машин.

Использование новых решетных поверхностей позволяет в 2,3-3 раза снизить погрешность точности калибрования, что обеспечивает более четкую работу картофелепосадочных машин, снижает количество пропусков и сдвоенных посадок, в результате чего увеличивается урожайность и снижается расход дорогостоящих посадочных клубней.

Реализация результатов исследований.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации Совершенствование технологического процесса калибрования клубней картофеля одобренные и изданные Россельхозакадемией.

Предложения по практической реализации разработок, представленных в диссертации, рекомендованы к использованию Департаментом науки и технической политики МСХ РФ.

Разработанные технические средства для калибрования клубней картофеля используются в ряде хозяйств Саратовской и Тамбовской областей.

Две картофелесортировальные машины, разработанные на основании исследований, изготовлены УНПЦ Волгоагротехника при Саратовском государственном агроинженерном университете и переданы в специализированные картофелеводческие хозяйства.

Результаты исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в Саратовском ГАУ им. Н.И.Вавилова, Мичуринском ГАУ, Пензенской и Самарской ГСХА.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях профессрско-преподавательского состава Саратовского агроинженерного университета (1995-1998 г.г.), Саратовского аграрного университета им. Н.И.Вавилова (1999-2009 г.г.), на международных научно-практических конференциях: Вавиловские чтения (Саратов, 2004-2006 г.г.), посвященной 70-летию Московского агроинженерного университета им. В.П.Горячкина (Москва, 2000 г), Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (Москва, ВИМ, 2000 г), Ульяновские чтения (Саратов, 2005 г.), Агроинженерный комплекс: состояние, проблемы, перспективы (Пенза - Нейбрандербург, 2005 г.), Современные проблемы механизации сельскохозяйственного производства (Махачкала, 2006 г.), посвященной 75-летию со дня рождения проф. В.Г.Кобы (Саратов, 2006 г.), посвященной 100-летию со дня рождения проф. В.В.Красникова (Саратов, 2008 г.), посвященной 70-летию со дня рождения В.Ф.Дубинина (Саратов, 2010 г.), в Мичуринском государственном аграрном университете (Мичуринск, 2011 г.).

Результаты исследований и конструкторские разработки экспонировались на Всероссийской выставке л60 лет машиноиспытанию (2008 г.) и докладывались на научно-техническом совете ФГУ Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция (п.Усть-Кинельский, Самарская область, 2001, 2008 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 12 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 3 - в описаниях к патентам, остальные в сборниках научных работ и материалах научных конференций. Общий объем публикаций составляет 16,15 п.л., из которых лично соискателю принадлежит 14 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (218 наименований, из которых 11 на иностранных языках) и приложений. Общий объем составляет 294 страницы, содержит 91 рисунок, 21 таблицу, 7 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность работы, цель и задачи исследования, научная новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе Проблема совершенствования технологического процесса калибрования клубней картофеля и постановка задач исследования рассмотрены наиболее распространенные в отечественной и мировой практике технологии и технические средства послеуборочной обработки картофеля, комплексы и номенклатура машин для их осуществления.

На современном этапе развития картофелесортировальной техники в ведущих по производству картофеля странах Европы на картофелесортировальных машинах применяются калибрующие поверхности с отверстиями квадратной или прямоугольной формы.

Рабочие органы с такой формой отверстий выпускаются либо в виде транспортеров, либо в виде решет для машин грохотного типа.

Машины транспортерного типа получили наибольшее распространение в ФРГ и Англии. Машиностроительные фирмы Франции, Нидерландов, Польши и Швейцарии отдают предпочтение картофелесортировальным машинам грохотного типа, на которых применяются решета с квадратными отверстиями.

Эти машины калибруют клубни на 2-4 фракции и имеют по 12 сменных решет в зависимости от фракционного состава исходного вороха с квадратными калибрующими отверстиями различного размера с шагом отверстий от 2,5 до 5,0 мм.

Варианты компоновки решетных станов и их привод в возвратно-поступательное движение осуществляется по типовым схемам аналогичным отечественным картофелесортировальным машинам.

Большое распространение в зарубежной практике калибрующих поверхностей с квадратными отверстиями, имеющими довольно низкие возможности по точности калибрования, можно объяснить только одним обстоятельством. В большинстве стран Евросоюза картофель возделывается на легких дерново-подзолистых почвах, на которых клубни получаются более выровненными по форме и размерам.

В условиях Российской Федерации, в основных регионах производящих картофель, он возделывается на более тяжелых почвах, в результате чего клубни по форме и размерам получаются менее выровненными, что и ухудшает качество их калибровки на размерные фракции применяемыми картофелесортировальными машинами.

В то же время, большим достоинством плоскорешетных машин с возвратно-поступательным движением рабочего органа является их высокая пропускная способность, а, следовательно, и производительность, при умеренной материалоемкости изготовления. Этот факт объясняется тем, что в результате большого пути относительного перемещения клубней по калибрующей поверхности, в отличие от транспортерных рабочих органов, увеличивается вероятность прохождения клубней в отверстия, что и увеличивает пропускную способность решет и точность калибрования, т.к. в сходах с решета будет минимум клубней, которые должны были пройти проходом.

Еще одним негативным свойством транспортерных рабочих органов картофелесортировальных машин по сравнению с грохотными является более низкая пропускная способность, даже при установке встряхивателей. Кроме того у таких рабочих органов более высокая материалоемкость, т.к. одна из ветвей транспортера в технологическом процессе неа принимает участия.

В последние годы начинают находить практическое применение картофелесортировальные машины с использованием фотоэлектрического эффекта и электроники. В основном электронные сепараторы применяются для отбора некондиционных клубней, почвенных комков, камней.

Эта группа машин дает высокие по качеству работы результаты, но, с другой стороны, эти машины слишком дороги, а главное, требуют комфортных условий эксплуатации и квалифицированного обслуживающего персонала, что в реальных условиях отечественного сельского хозяйства, в обозримом будущем, практически не реально.

Анализ состояния исследований отечественной науки показывает, что одной из первых фундаментальных работ по научно обоснованному подходу к созданию и оценке результатов работы картофелесортировальных машин являются работы академика В.П. Горячкина, в которых главное внимание уделено определению размерно-массовых характеристик клубней и их взаимосвязи как объектов калибрования.

Впервые использование теории вероятностей для теоретического обоснования технологического процесса работы сортировальных решет предложено в фундаментальных работах проф. М.Н. Летошнева.

Дальнейшее совершенствование теории и практики сортирования зерна получило в работах Кожуховского И.Е., Косилова Н.И., Кубышева В.А., Листопада Г.Е., Павловского Г.Т., Ульянова А.Ф. и др. Значительный вклад в развитие этого направления внесла научная школа А.П. Тарасенко.

Дальнейшее развитие теоретическое обоснование, экспериментальные исследования и методы проектирования и создания машин для этапов единого технологического процесса производства картофеля получило в трудаха Верещагина Н.И., Добышева А.С., Колчина Н.Н., Мацепуро Н.Е., Петрова Г.Д., Поздеева А.В., Пшеченкова К.А., Размысловича И.Р., Сорокина А.А., Туболева С.С., Филиппова А.И. и ряда других ученых. Калиброванию плодов посвящены работы Варламова Г.П., Горшенина В.И., Четвертакова А.В., и некоторых других исследователей.

Существенное значение для достижения поставленной цели исследования имеют недавно введенные в Российской Федерации новые стандарты на качество калибрования клубней картофеля, приведенные в соответствие с аналогичными стандартами стран ЕС. На продовольственный картофель новый ГОСТ введен в действиеа с 2003 г., на семенной - с 2010 г.

По новым стандартам разделение клубней на размерные фракции должно производиться по наибольшему диаметру поперечного сечения клубня. Этот размер в хорошо отработанной технологии работы зерноочистительных машин называется шириной калибруемых плодов.

Требования новых стандартов, научный и практический опыт использования машин для сортирования зерна дают основание выдвинуть рабочую гипотезу.

Для получения максимально возможной точности калибрования клубней картофеля необходимо использовать калибрующие поверхности с круглыми отверстиями, которые с другой стороны имеют самый низкий коэффициент пропускной способности из-за значительной площади перемычек между отверстиями.

Это обстоятельство дает возможность сформулировать научную проблему. В рассматриваемом случае проблемность ситуации состоит в том, что для достижения поставленной в диссертации цели требуется разрешить противоречие между точностью калибрования и пропускной способностью калибрующей поверхности.

Формулируя цель и задачи исследований необходимо учесть не только результаты анализа существующего мирового уровня развития картофелесортировальной техники, но и принципы продовольственной безопасности страны и рекомендации отечественных ведущих ученых и практиков в области механизации процессов производства картофеля.

Наиболее четко и сконцентрировано пути решения проблемы модернизации отечественного картофелеводства сформулированы в работе С.С. Туболева и Н.Н. Колчина: Технологической базой возрождаемой Системы технологий и машин для возделывания, уборки и хранения картофеля должны служить реальный современный комплекс машин. Они должны быть надежными в работе, отвечать разнообразию условий отечественного картофелеводства, достаточно просты в эксплуатации, производиться в России и обеспечивать при нормальных условиях рентабельное производство картофеля. Как правило, подобный комплекс состоит из базовых моделей, на основе которых разрабатываются их модификации и различные сменные узлы и приспособления для различных условий.

В соответствии с целью исследований для решения рассматриваемой проблемы необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать технологические возможности существующих форм калибрующих отверстий рабочих поверхностей картофелесортировальных машин;
• исследовать геометрические характеристики клубней современных наиболее характерных сортов картофеля, возделываемых в Российской Федерации и дать гипотетическую формализованную характеристику вороха клубней как объекта для калибрования на размерные фракции;
• разработать форму калибрующих отверстий сочетающих при формировании рабочего поля сортирующей поверхности максимальные точность калибрования и пропускную способность;
• теоретически исследовать процесс взаимодействия гипотетических клубней с новой сортирующей поверхностью;
• провести экспериментальные исследования картофелесортировальной машины с новыми рабочими поверхностями;
• разработать математическую модель процесса сортирования клубней картофеля на картофелесортировальной машине грохотного типа с новыми рабочими поверхностями и оптимизировать параметры и режимы работы устройства;
• провести производственную проверку разработанных технологических и технических решений и определить их экономическую целесообразность.

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам